超新星遗迹和脉冲星成协系统 田文武 2009年7月于北京脉冲星夏校
Doctor of Phenomenology和 Doctor of Philosophy=哲学博士 Doctor of Phen. 区别于Doctor of Phil. 哲学博士是哲学家有三思: 思想、思路、思考. 思想得自己弄. 思路就是讲故事,宣传自己的创作。 思考:一个没有结论的博士论文有更多的思考. “学好数理化，走遍天下都不怕”，能把数理化合为一体的人，只有哲学家了。有三思才是真博士! 研究的三个层次: 责任; 兴趣; 激情! 研究生重在研究, 学次之. 大学不应该是贩卖证书的机关!
今天的故事 为什么要研究超新星遗迹和脉冲星成协?换句话说成协的物理内因是什么?研究它们对我们了解脉冲星有何帮助? 如何判断超新星遗迹和脉冲星成协? 目前已知约50对可能的成协系统, 与已观测到超新星遗迹和脉冲星数量相比有很大出入, 为什么?
Hertzsprung -Russell 图 恒星表面温度和光度关系图
低质量恒星的命运
大质量恒星的命运 8-25MSun >25MSun
大质量恒星热核演化/Fe核最稳定-? Fe 核心 H-包层 T (3-5)109K 没有SNR, 就没有太阳,月亮和生命 H-燃烧壳层 Ne-燃烧壳层 O-燃烧壳层 Si-燃烧壳层 Fe 核心 T (3-5)109K C-燃烧壳层 H-包层 He-燃烧壳层
量子效应和简并星(WD和NS) 不确定原理和保利不相容原理的运用导致简并压(电子和中子); 对比热气压. 椅子=量子态; 人=电子/中子
超新星遗迹和脉冲星成协依据 最简单/最不可靠的方法:空间位置相关. 距离,年龄一致,投影横向移动方向和速度. 最有物理内因的方法:有脉冲星风云产生. 遗迹内有X-射线脉冲星:磁星
天文测距方法
脉冲星的年龄和距离 P0<<P-------> 磁偶极模型(标准模型):P, P0 和△t 是可测量 Braking Index: n=3 P0<<P-------> Dispersion Measure : DM =∫ne dl cm-3 pc Delayed Arr. Times: △t =4.15[vlo-vhi]DM ms Integrated free electron density: ne cm-3
HI观测限定超新星遗迹的距离
Calculated radial velocity as a function of distance along a line of sight in the Galactic plane at l = 29.7 degree Formula: Vr= Ro sin l (V(R)/R – Vo/Ro). V(R):circular orbit speed of a star; R:Galactocentric radius; Vr:radial velocity
超新星遗迹的年龄 超新星遗迹的四个演化阶段: Phase I II III Mass swept up (M) <5 几十 ~1000 Velocity (km/s) <10000 ~200 ~20 Radius (pc) <1 ~10 ~30 Time (yrs) <2000 ~40000 ~100,000 Phase IV represents disappearance of remnant
前锋激波速度几乎不变: v(t) ~ v R(t) ~ vt 自由扩展阶段- Phase I 前锋激波扫过的星际间物质质量只占爆炸抛射物质质量的一小部分: (1) 动量守恒 (2) 前锋激波速度几乎不变: v(t) ~ v R(t) ~ vt
Phase II –绝热扩展阶段(Sedev) 激波扫过的星际间物质质量已远超爆炸抛射物质质量, but radiative losses are unimportant in this phase - no exchange of heat with surroundings. (3) (4) R(t) = 4v(t).t v(t) = R(t)/4t (5)
Phase III –快速辐射冷却阶段(Snow-plow) SNR cooled(<10^6 K), no high pressure to drive it forward. Electrons recombines with the heavier atoms, so the cooled shell can more efficiently radiate most of its energy away as optical light. SNR quickly develops a thin shell. Residual hot gas in interior emits weak X-rays. =constant, V ~ 1/R^3 Phase IV –逐渐消逝阶段 ISM has random velocities ~10 km/s. When velocity (SNR) is ~ 10 km/s, it merges with the ISM and is ‘lost’ after ~1,000,000 yrs.
年轻PSR J1833-1034 (Gaensler & Slane 2006) 超新星遗迹和脉冲星风云:SNR G21.5-0.9 年轻PSR J1833-1034 (Gaensler & Slane 2006)
(a):Vela SNR G263.9-3.3 at 2.4 GHz/PWN B0833-45 (b) : SNR G327.1-1.1 at 843 MHz(red): relic PWN, an likely PSR (X-rays, blue) outside of radio PWN
(a):SNR W44 at 1.4 GHz (+8.4 GHz)/超声速移动的年轻 PSR B1853+01和它的bow-shock PWN (b):再生‘黑寡妇’ PSR B1957+20 和 它的弓激波脉冲星风云, Hαemission (green) + Chandra X-ray (red)
弓激波脉冲星风云模拟, PSR J1747-2958 和PWNG359.23-0.82 (Gaensler et al. 2004) Chandra X-rays (blue) VLA Radio (red)
超新星遗迹和磁星(X-射线脉冲星) 一些超新星遗迹内无射电脉冲星但有一类射电宁静的点源, 它们有持续的X射线脉冲: Anomalous X-ray Pulsars (反常X射线脉冲星) Soft Gamma Repeaters (软重复爆) 特征: 周期:5-12 s, dP/dt: ~10-11ss-1 (典型值), 磁场非常强: B ~ 1014 - 1015 Gauss. 故也称为磁星(Magnitar). 迄今发现的磁星总数已达18颗: http://www.physics.mcgill.ca/~pulsar/magnetar/main.html
已知超新星遗迹和脉冲星数量 1800多颗PSRs和274颗河内SNRs. 几个网址: 相关联超新星遗迹和脉冲星对的数量:40-60 A 2009-version Catalogue of Galactic SNRs: http://www.mrao.cam.ac.uk/surveys/snrs/ ATNF pulsar Catalogue version: 1.36 http://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/psrcat 相关联超新星遗迹和脉冲星对的数量:40-60
人类历史上有文字纪录的超新星事件 爆发时间 (AD) 光度极大星等 最早发现者 超新星遗迹和脉冲星 (SNR and PSR) 185 ? -8 中国 RCW 86/X-ray point source 386 ? G11.2-0.3 / J1811-1925 393 -1 RX J1713.7-3946 / no PSR 1006 -10 中国/阿拉伯 SN 1006 / no PSR 1054 -5 中国/日本 Crab Nebula / B0351+21 1181 3C 58/ X+Radio J0205+6449 1572 -4 丹麦/中/日 Tycho / SN 1a 1604 -3 Kepler Kepler / SN 1a? 1667-1680 5 ? John lamsteed ? Cas A / X-ray point source 1987 +2.9 Ian Shelton SN 1987A / no PSR
1054超新星遗迹:蟹状星云及其脉冲星(PSR0531)
3C 58/ X+Radio PSR J0205+6449
数量差异极大可能的原因 选择效应:亮的先看到! 寿命差距很大:脉冲星可以老于1百万年. 诞生率很不一样: 脉冲星有其它起源? 天体射电信号太弱:需要FAST! 脉冲星射电辐射束角度小,没有扫过地球: 需要远太空射电望远镜. . 新类型天体: 如纯伽码射线脉冲星(CTA1, Fermi伽码太空望远镜第一个工作, 约180个作者, 50个合作机构). ? 如年轻的PSRs (PWNe) 没有相联SNRs, WHY? 已探测到磁星的射电脉冲信号, 理论如何修正? 多样形态的PWNe, 挑战目前的理论模型?
一个工作 可以总结更全面的SNR/PSR(PWN)表,作统计分析;更严格限定脉冲星的距离和年龄; … 作研究就象这猫一样是很酷的事!